温度与压应力耦合下 EDM 加工非晶定子铁芯材料的铁损建模

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Iron-loss modeling of EDM-processed amorphous stator-core material under coupled temperature and compressive stress

　　

# 摘要

非晶合金因其高电阻率带来的低铁损特性而在电机领域极具吸引力。然而，其磁响应在运行温度、压缩应力以及加工引起的性能退化条件下会发生显著变化。作为对比，本文在相同条件下测试了一种薄规格无取向硅钢参考材料（ST100）。在本工作中，建立了一种适用于电火花加工非晶定子铁芯的扩展Bertotti型铁损模型，其中滞回系数和涡流系数均表示为温度和压缩应力的函数。模型参数通过联合回归识别，使用25–150°C、0–30 MPa和100/400/800 Hz范围内的测量数据进行拟合。测量采用专门研制的试验装置完成，该装置可实现温度和压缩应力的同步控制。在400 Hz条件下，将温度从25°C升高到150°C使非晶合金的测量铁损降低了29.35%，而压缩应力使铁损增加了超过180%；所提出的模型与实验结果吻合良好。与经典二项模型相比，所提出的模型更准确地捕捉了铁损曲线随温度和应力变化的趋势。这些结果为在非晶定子铁芯在真实工况条件下的铁损评估以及低铁损电机设计提供了简洁的框架。

# 引言

非晶合金材料（AMMs）因其高电阻率和低铁损特性而在电机设计中引起了广泛关注。然而，由于其特殊的制造工艺，AMMs比常规电工钢更脆、对应力更敏感。因此，尽管AMMs具有磁性能优势，但AMM定子铁芯的制造极易受到外部因素的影响，例如机械载荷和制造过程中使用的切割操作。加工引入的残余应力和切割造成的损伤会显著改变铁芯的磁性能，从而增加铁损[1]。这些变化与畴壁运动、有效磁导率和矫顽力的变化密切相关，为磁响应与测量铁损之间提供了物理联系。

除了应力和加工效应外，负载运行期间持续的温度升高也会改变非晶铁芯的磁行为，因此在铁损预测中应考虑这一因素。随着转速的增加，定子铁芯铁损在电机总损耗中的贡献越来越大。先前的研究[2]表明，即使是微小的应力变化也可能引起非晶材料磁性能的显著变化，导致电机中额外的能量耗散。此外，切割在铁芯制造中不可或缺，但可能引入缺陷并改变微观结构，从而降低磁性能[3]。这些综合效应使得采用AMM铁芯的电机铁损建模具有特别的挑战性。

软磁材料的铁损预测通常基于经验或半物理公式，包括Steinmetz型方程、Bertotti型铁损分离法以及基于滞回的模型，如Jiles–Atherton框架[4]、[5]、[6]。针对非晶和纳米晶铁芯，近期的研究进一步考虑了高频铁损行为、与切割相关的退化、温度依赖的铁损以及应力或压力引起的铁损变化[7]、[8]、[9]、[10]。然而，大多数现有公式分别处理温度、机械应力和加工引起的退化效应，在温度–应力耦合条件下的定量验证仍然有限[7]、[8]、[9]、[10]。这些耦合效应可能导致测量得到的铁损特性偏离在标称材料条件下获得的结果。

在本研究的前期工作中，我们研究了非晶电机铁芯中与切割相关的铁损[11]。本研究聚焦于在持续运行温度和压缩应力条件下，电火花加工非晶定子铁芯的铁损行为。进一步分析有效磁导率以阐明与铁损变化相关的磁响应。然后建立扩展Bertotti型模型并与经典二项模型进行比较，以评估其在温度–应力耦合条件下的预测能力。

## 材料与方法

### 材料和样品制备

本文试验材料为一种商用铁基非晶合金（成分Fe??Si?.?B??.?C?），标称单带厚度约为0.021 mm。作为对比，还选取了常规薄规格无取向硅钢ST100。ST100是0.10 mm厚的无取向硅钢，常作为高频电机应用中的参考软磁材料；其层叠结构、较高的机械强度和较低的应力敏感度使其成为非晶合金性能比较的理想基准材料。

### 经典铁损模型

Bertotti提出的经典铁损模型被广泛用于计算电机铁芯铁损[13]、[14]。该模型由滞回损耗P_h、经典涡流损耗P_c和附加损耗三部分组成。由于附加损耗仅占总损耗的很小比例，且对温度和应力的敏感性较低——与电机的结构特征关系更为密切——因此在此予以忽略。此外，当电源为理想正弦波时，铁损可表示为：P_Fe = P_h + P_c。

### 单变量条件下的验证

为评估所提出模型的有效性，在400 Hz条件下构建了两组代表性对比：
(i) 应力固定为σ=0 MPa，研究温度从25–150°C对铁损–磁通密度关系的影响（图5）。
(ii) 温度固定为T=25°C，研究应力从0–30 MPa的影响（图6）。

每幅图并列展示了测量数据点、所提出模型（应力–温度）曲线和经典模型（二项）曲线。对比结果表明，所提出模型能够更准确地拟合实验数据，特别是在温度和应力变化引起的铁损曲线偏移方面。

## 结论

本研究考察了持续温度和标称压缩应力对电火花加工铁基非晶定子铁芯试样磁响应和铁损的影响。温度依赖试验表明，将温度从25°C升高到150°C会降低非晶铁芯的测量铁损，而应力依赖试验表明压缩应力会显著增加铁损。这些结果表明，运行温度和压缩应力均是非晶定子铁芯铁损评估中不可忽视的重要因素。

## CRediT作者贡献声明

陆旭生：方法学、概念构思。冯嘉明：数据管理。刘祥龙：软件。曾鲁班：调查研究。李浩轩：项目管理。裴瑞琳：验证、资源提供。

## 利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

## 致谢

本研究由以下项目资助：先进材料-国家科技重大专项（编号：2025ZD0618201）、国家重大专项（编号：2024ZY02004）、苏州科技成果转化平台建设/中试工程服务平台建设（编号：SZC202508）、苏州科技发展规划（创新联合体）（编号：LHT202501）以及辽宁省重点研发计划（编号：2025JH2/102700007）。

陆旭生 | 冯嘉明 | 刘祥龙 | 曾鲁班 | 李浩轩 | 裴瑞琳
沈阳工业大学，辽宁省沈阳市经济技术开发区沈辽西路111号，110870，中国